一种用于T形结构件超声波检测的三维仿真方法与流程

一种用于t形结构件超声波检测的三维仿真方法
[0001]
技术领域
[0002]
本发明属于核电检测设备领域，特别涉及一种用于t形结构件超声波检测的三维仿真方法。
[0003]


背景技术：

[0004]
目前三维仿真只能采用模糊算法和ai算法，模糊算法由于其不结合三维空间环境，其计算精度过低，而ai算法虽然能够提高一定的计算精度，但是其计算速度过慢，并不能够充分利用设备性能，仿真时间长。
[0005]


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种高效精准的用于t形结构件超声波检测的三维仿真方法。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于t形结构件超声波检测的三维仿真方法，其特征在于，其包括以下步骤，一.t形结构体建模：抽象化t形结构体并设置参数，计算顶点以及三角面，生成三维网格并渲染出来；二.探头仿真：抽象化探头、实现探头参数化，根据探头的参数进行参数化建模，并在三维空间中渲染出来；三.检测面分类：对t形结构体的各检测面进行分类，并定义探头的位置与扫描范围；四.声线计算：根据工件、探头的信息，计算超声波声线从产生、发生、反射的路径、并在三维空间中渲染出来；五.缺陷仿真：将工件缺陷抽象化，并分类，分为面积型缺陷和横通孔缺陷，定义缺陷的位置和角度，实现缺陷在三维空间中渲染；六.声场仿真：解析声场仿真数据，将仿真数据在三维空间中渲染出来，对声线仿真的结查一一匹对。
[0008]
优化的，定义t形机构上端横向设置的部分为冠体、与冠体相垂直的部分为柱体，步骤一中按以下方式定义t形结构参数：t形体冠体宽度为a、t形体冠体高度为b、t形体冠体伸出于t形主体右侧的长度为c、t形体柱体宽度为d、t形体柱体高度为e、t形体厚度为f；设定t形体冠体的左侧侧边点为零点；以冠体宽度方向为x轴、冠体高度方向为y轴，t形结构体厚度方向为z轴；根据建立好的坐标系设定顶点包含位置与方向信息，方向信息指定为该点的法线方向；按t形体的垂直面划分，共有48个顶点；以逆时针方向首先存储左侧点的8个点，每个点包括3个方向，共24个点；然后存储右侧点的8个点，每个点包括3个方向，共24个点；一共48个点；按照设定的参数以及零点计算顶点的位置；新建一个矩阵v，由于存储t形
体的所有顶点的位置；新建一个矩阵n，长度与矩阵a一致；用于存储矩阵a对应的法线，即方向；设定t形结构的冠体和主体共面的两个面为底面和顶面，设定冠体最上方且位于左侧的角为1号点，顺时针方向标定每个角分别为1-8号点，根据标定的点可将底面或顶面分为四个三角面，即：三角面（3，2，1）、三角面（3，1，8），三角面（5，4，7）、三角面（5、7、6），底面和顶面，共8个三角面；设定，t形结构由2点构成的一个折线，可设定为一个侧面；因此t形结构共8个侧面；每个侧面含2个三角面，一共16个三角面；t形结构一共为24三角面组成；新建一个矩阵t，长度为24*3，由于存储构成三角面的信息，存储值为顶点在v矩阵中的顺序；生成网格，基于矩阵v、n、t，可以生成一个三维网格；根据生成的三维网格，在三维引擎中将t结构渲染出来优化的，步骤二中，探头的楔块参数包括探头长度、探头高度、探头宽度、探头角度；设定探头的零点位置。探头的零点位置为探头底面的中心；根据探头的楔块参数，计算探头各个顶点位置；按照参数化建模规则建立三维网格。
[0009]
优化的，定义检测面，根据t结构的形态，来划分探侧位置，t结构共存在10个探测面；对每一个探测面，设定一个检测程序；共设定10个检测程序，对每一个检测面设定一个编号；定义检测面的法向量；检测面的检测范围；探头位置在此检测程序中的定位方法；锁定一个轴；以此检测面中心为检测零点，该零点空间坐标为v0；以此零点来定义输入信息；锁定y轴，x轴输入值为x（-a,a）,z轴输入值为y (-c,c)；根据输入值，转化为三维空间坐标v = v0 + (x,0,y)；根据以上设定获取探头的参数，探头朝向为探头围绕探头法线,逆时针旋转一定探头角度后，获得的方向，即探头朝向与扫描方向的夹角为探头角度。
[0010]
优化的，设置检测面、探头位置、探头朝向，探头的法线即为检测面的法线；探头的法线与探头的角度计算出声线的向量；在检测面上，探头围绕法线，旋转设定的探头角度；在探头上计算涉及探头声线的三个点：位置点v0、探头顶部前沿中点v1、探头的前沿中点v2；基于v0、v1和v2，按逆时针方向，获得一个三维空间平面p，声线计算即在此三维空间平面内；计算出该平面法线n1；探头前沿中点v2，围绕平面法线n1，旋转入射角获得的点v3,（v3-v0）后单元化，即为楔块内声线向量u1；探头前沿中点v2，围绕平面法线n1，旋转折射角获得的点v4,（v4-v0）后单元化，即为楔块内声线向量u2；根据位置点v0、以及向量u1，确定射线r1；r1与楔块斜坡平面相交的点，即为发射点v5；连结v0与v5，即为探头在楔块内的发射线l1；根据位置点v0，以及向量u2，确定射出声线r2；遍历t形结构除当前检测面的其他检测面，与r2是否存在交点；获得交点v7位置；判断交点是否在平面pn内，判断依据为该点的x、y、z值均应在pn平面对应的轴范围中；满足条件的交点即为反射点;连接v0与v7，即为探头发出的声线l2；再计算反射声线与两次反射点，根据射入点v7，以及v7所在的平面pn的法线n2、u2，计算反射声线与二次反射点；再计算反射声线的向量，获得射入声线的反向向量u3，u3 =
ꢀ-
u2；计算u3与n2的夹角为a2，则反射线与u3的夹角为a3 = a2 *2；根据u3与n2，以及v7，构造反射平面，获得该平面的法线n3；围绕n3旋转a3角度，即为反射声线的向量u4；u4与v7，构成反射声线r4；计算反射线与其它面的交点，遍历t形结构除反射面的其他检测面，与r4是否存在交点v9；获得交点位置，判断v9是否在平面pn内，判断依据为该点的x、y、z值均应在pn平面对应的轴范围中，满足条件的v9，即为两次反射点，连接v7和v9即为反射线l3；按照记录的点v5、v0、v7、v9，绘制声线l1、l2、l3。
[0011]
本发明的有益效果在于：本发明计算速度快，并能够充分利用设备性能，大幅降低
仿真时间，提高仿真效率。在基础的理论上进行开发，结合三维空间环境，方便验证仿真结果的准确性。本方法从t形结构的工件、探头、缺陷、声线、声场的角度出发，结合实际检测情况，对于超声波检测结果的评定，以及超声波检测工艺的设计，有着非常重要的指导意义。
[0012]
附图说明
[0013]
图1为本发明的原理示意图；图2为t形结构体的抽象化与参数化示意图；图3为三维空间中的零点位置以及方向定义示意图；图4为t形结构体的三角化规则示意图；图5为探头的参数化示意图；图6为在检测面上探头位置与方向的定义示意图。
[0014]
图7为图6的局部放大图。
[0015]
具体实施方式
[0016]
下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：如图1所示，用于t形结构件超声波检测的三维仿真方法，其包括以下步骤，一.t形结构体建模：抽象化t形结构体并设置参数，计算顶点以及三角面，生成三维网格并渲染出来；二.探头仿真：抽象化探头、实现探头参数化，根据探头的参数进行参数化建模，并在三维空间中渲染出来；三.检测面分类：对t形结构体的各检测面进行分类，并定义探头的位置与扫描范围；四.声线计算：根据工件、探头的信息，计算超声波声线从产生、发生、反射的路径、并在三维空间中渲染出来；五.缺陷仿真：将工件缺陷抽象化，并分类，分为面积型缺陷和横通孔缺陷，定义缺陷的位置和角度，实现缺陷在三维空间中渲染；六.声场仿真：解析声场仿真数据，将仿真数据在三维空间中渲染出来，对声线仿真的结查一一匹对。
[0017]
具体而言一.t形结构体建模的具体方式如下：如图2所示，t形结构体的抽象化与参数化a：t形体冠体宽度b：t形体冠体高度c：t形体冠体伸出于t形主体右侧的长度d：t形体柱体宽度e：t形体柱体高度f：t形体厚度（1）设置参数
按图2所示，对工件进行参数化设计。参数边界说明。存在参数边界为0的情况；如d值为零时，t形体会成长为一个长方体；当c值为零或者c值为（a-d）时，会成为一个直角体；本方法满足长方体和直角体的仿真。
[0018]
（2）计算顶点设置零点，设定零点为t形结构左侧侧边点为零点。如图3所示，设置方向，以冠体的的方向为x轴、冠柱的方向为y轴，以结构体的厚度方向为z轴。顶点设定，一个顶点包含位置与方向信息；方向信息指定为该点的法线方向。按t形体的垂直面划分，共有48个顶点；以逆时针方向首先存储左侧点的8个点，每个点包括3个方向，共24个点；然后存储右侧点的8个点，每个点包括3个方向，共24个点；一共48个点；按照设定的参数以及零点计算顶点的位置；新建一个矩阵v，由于存储t形体的所有顶点的位置。新建一个矩阵n，长度与矩阵a一致；用于存储矩阵a对应的法线，即方向。
[0019]
（3）计算三角面如图4所示，计算底面和顶面；然后计算侧面，一个三角面由三个顶点，按逆时针方向构成。计算底面顶面。如上图的所示，一个底面或者顶面的由4个三角面构成，分别为（3，2，1）、（3，1，8），（5，4，7）、（5、7、6）。底面和顶面，共8个三角面。设定，t形结构由2点构成的一个折线，可设定为一个侧面；因此t形结构共8个侧面；每个侧面含2个三角面，一共16个三角面综上，t形结构一共为24三角面组成。新建一个矩阵t，长度为24*3，由于存储构成三角面的信息，存储值为顶点在v矩阵中的顺序。
[0020]
（4）生成网格基于矩阵v、n、t，可以生成一个三维网格；根据生成的三维网格，在三维引擎中将t结构渲染出来；二.探头仿真（1）探头的参数化如图5所示，探头的楔块参数，探头的楔块参数包括探头长度、探头高度、探头宽度、探头角度，探头的材质对声速的影响。
[0021]
（2）探头的参数化建模设定探头的零点位置，探头的零点位置为探头底面的中心，根据探头的楔块参数，计算探头各个顶点位置，按照参数化建模规则建立三维网格三. 检测面分类（1）检测面的定义根据t结构的形态，来划分探侧位置，t结构共存在10个探测面，充分考虑边界参数的情况，对每一个探测面，设定一个检测程序，共设定10个检测程序，对每一个检测面设定一个编号，根据需求来选择检测面。
[0022]
（2）检测程序相关信息涉及：检测面的法向量；检测面的检测范围；探头位置在此检测程序中的定位方法；锁定一个轴。以此检测面中心为检测零点，该零点空间坐标为v0，以此零点来定义输入信息，如锁定y轴，x轴输入值为x（-a,a）,z轴输入值为y (-c,c)，根据输入值，转化为三维空间坐标，v = v0 + (x,0,y)（3）探头的参数如图6、7所示，探头朝向为探头围绕探头法线,逆时针旋转一定探头角度后，获得的方
向。即探头朝向与扫描方向的夹角为探头角度。
[0023]
四.声线计算（1）设置检测面、探头位置、探头朝向。根据需求选择一个检测面；设定探头的位置；通过一个文本框，设定探头的角度；探头的角度为以探头法线为轴，逆时针方向旋转的角度。
[0024]
（2）计算探头法线。探头的法线即为检测面的法线（3）计算第一次声线的向量。根据探头的法线与探头的角度计算出声线的向量。在检测面上，探头围绕法线，旋转设定的探头角度；在探头上计算涉及探头声线的三个点：位置点v0、探头顶部前沿中点v1、探头的前沿中点v2；基于上述3点，按逆时针方向，获得一个三维空间平面p，声线计算即在此三维空间平面内；计算出该平面法线n1；探头前沿中点v2，围绕平面法线n1，旋转入射角获得的点v3,（v3-v0）后单元化，即为楔块内声线向量u1；探头前沿中点v2，围绕平面法线n1，旋转折射角获得的点v4,（v4-v0）后单元化，即为楔块内声线向量u2。
[0025]
（4）计算声线发射点。根据位置点v0、以及向量u1，确定射线r1；r1与楔块斜坡平面相交的点，即为发射点v5；连结v0与v5，即为探头在楔块内的发射线l1。
[0026]
（5）计算射出声线与反射点根据位置点v0，以及向量u2，确定射出声线r2；遍历t形结构除当前检测面的其他检测面，与r2是否存在交点；三维空间中射线与平面的交点计算方法；以射线r2与t形结构底部平面pn为例，计算v0点在pn上的投影点v6，根据v0、v6获得投影线r3，计算r1与r3的角度a1，如果角度等于90点，则表示r2与pn平行，不满足交点要求；否则进行下一步判断，根据v0、v6求得两者之间的距离，用距离除以a1的余弦值，即得到v0点至交点的距离dis1，获得交点位置：v7 = v0 + u2 * dis1；判断v7是否在平面pn内，判断依据为该点的x、y、z值均应在pn平面对应的轴范围中；满足条件的交点v7，即为反射点；连接v0与v7，即为探头发出的声线l2（6）计算反射声线与两次反射点根据射入点v7，以及v7所在的平面pn的法线n2、u2，计算反射声线与二次反射点；计算反射声线的向量；获得射入声线的反向向量u3，u3 =
ꢀ-
u2；计算u3与n2的夹角为a2，则反射线与u3的夹角为a3 = a2 *2；根据u3与n2，以及v7，构造反射平面，获得该平面的法线n3；围绕n3旋转a3角度，即为反射声线的向量u4；u4与v7，构成反射声线r4；计算反射线与其它面的交点，遍历t形结构除反射面的其他检测面，与r4是否存在交点，三维空间中射线与平面的交点计算方法：以射线r4与t形结构底部平面pn为例；计算v7点在pn上的投影点v8；根据v7、v8获得投影线r5；计算r4与r5的角度a4,如果角度等于90点，则表示r2与pn平行，不满足交点要求；否则进行下一步判断；根据v7、v8求得两点之间的距离，用距离除以a4的余弦值，即得到v7点至交点的距离dis2；获得交点位置：v9 = v7 + u4 * dis2；判断v9是否在平面pn内，判断依据为该点的x、y、z值均应在pn平面对应的轴范围中；满足条件的v9，即为两次反射点；连接v7和v9即为反射线l3。
[0027]
（7）绘制声线。按照记录的点v5、v0、v7、v9，绘制声线l1、l2、l3.（8）实时更新参数，声线也会实时更新变化.五.缺陷仿真（1）缺陷类型。本发明适用的缺陷包括横通孔和面积型缺陷.（2）缺陷数量。在执行一次仿真计算中，可添加多种多个缺陷.
（3）缺陷参数设计。对于横通孔缺陷，包含参数为缺陷长度与缺陷半径;对于面积型缺陷，则参数为长、宽、高.缺陷参数设计的单位为毫米，在实际三维空间中则转化为米进行计算.（4）缺陷位置的定义，以空间的零点为缺陷的参考，即缺陷的位置是固定的，不以检测面的改变而改变。缺陷在三维空间的角度，通过基于xyz轴的环绕方向来定义，可转化为对应的法线方向和切线方向。缺陷必须设置在t形体内，通过参数约束的方法实现此功能。
[0028]
（5）缺陷的显示。采用一个通用的圆柱体代表横通孔缺陷；采用一个长方体代表面积型缺陷。位置、方向、大小按照设定的参数来进行实例化。
[0029]
（6）缺陷对声线的反馈。
[0030]
当流程中设置了缺陷的时候，考虑到缺陷在t形体内，优先考虑声线是否打到缺陷上；如果没有打到缺陷上，则判断是否打到其它检测面上；声线在长方体缺陷上的反射规则：遍历所有的面，判断是否打到缺陷的面上，满足条件为声线与面的交点，在面的范围之内，同时与面的法线角度小于90度；声线在柱状体缺陷上的反射规则：根据缺陷参数，获得圆柱体的轴线r0,其中圆柱中心为v0，方向为u0；获和圆柱体的半径为r。设定声线r1的参数为，点v1，向量值为u1；计算点v1在轴线r0上的投影点v2,获得v1、v2之间的距离dis；计算u0与u1的夹角a1；则声线与圆柱的交点v4，v4点与v1点的距离dis2为：dis2 = (dis
ꢀ-ꢀ
r) /cos(a1) ；获得交点位置为：v4 = v1 + u1 * dis2;如果该点在圆柱体内，则声线与缺陷相关；否则不相交；如果声线与缺陷相关，则计算反射线；充定反射线r2，向量值为u2；首先计算v4点在圆柱上的法线；计算该点在r0轴的投影点v5，则该点的法线n1为（v4-v5）后的单元化；获得u1的反向向量u3,u3 =
ꢀ-
u1；计算n1与u3的夹角a2，则u2与u3的夹角为a3 = a2 * 2；根据v4、v5、v1形成一个空间平面，获昨该平面的法线n2；点v1围绕n2旋转a3角度，获得得v6，u2 = (v6-v4)单元化；根据v4与u2，即获为圆柱所陷的反射线。
[0031]
2.6声场仿真本方法通过将civa平台的仿真数据，经过解析后在三维仿真空间中，通过与声线相有匹配，以三维的显示展示出来。相当于一个t形结构仿真数据的播放器，并附带一些辅助功能。
[0032]
声场仿真流程如下：通过civa仿真软件，获得仿真数据。对仿真数据进行解析。仿真数据是一个txt文件，通过对关键字的解析，获得探头信息以及超声仿真数据。三维空间的探头下面建立一个平面，将数据渲染至该平面上。根据设定的工件、探头、缺陷参数，渲染声线。通过声场与声线的比较，实现实际检测工作数据的评判，结合三维空间环境，方便验证仿真结果的准确性。
[0033]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。